杭州灣跨海大橋智能設計與建造體系方案

齊成龍，康銀庚，王永，宋樹峰，徐洪權

（1.中國鐵路設計集團有限公司 土建工程設計研究院，天津 300308；2.北京交通大學 經濟管理學院，北京 100044）

0 引言

改革開放40多年以來，我國已成為當之無愧的橋梁大國，但與世界橋梁強國仍存在差距，表現在基礎理論及關鍵技術還需突破、工程軟件受制于人、勞動密集型產業現狀沒有明顯改變等方面［1］。在勞動力成本不斷攀升、環保要求越來越嚴格、高質量發展需求強烈的背景下，橋梁建設產業亟需革新。為此，我國先后發布了實質性規劃和政策，如《新一代人工智能發展規劃》《“互聯網+”行動計劃》等。政策與需求驅動興起新的工業革命浪潮，推動建筑業邁向由建筑信息模型（BIM）與移動互聯、物聯網、云計算、大數據、增強現實（AR）、虛擬現實（VR）等信息技術為支撐的智能建造［2］，也為鐵路建造提供了新的思路。隨著我國鐵路由傳統建設體系向新時期智能建造模式的探索和轉變，初步確定以BIM為先導的智能建造發展方向，為智能建造帶來極大的發展空間。

針對橋梁工程領域的智能設計與智能建造技術應用，業內人士進行了諸多探討和實踐。張建軍等［3］以市政工程為背景，應用Autodesk Revit對橋梁外形、配筋、橋位進行3D建模并輸出施工圖；張秋信等［4］在平塘特大橋設計階段，采用BIM參數化建模技術，建立鋼錨梁及錨拉板的參數化構件庫，開展設計方案碰撞檢測、基于VR的設計方案展示、橋塔關鍵工序施工動畫技術交底等應用；張迎松等［5］借助BIM、物聯網、智能傳感等科技手段，基于BIM管理平臺集成多套智能化生產系統，成功打造深中通道項目S07合同段中山智慧梁場，實現梁場生產過程可視化、施工流程標準化、業務管理數字化、機械設備智能化、管理決策智慧化的目標；劉曉光等［6］以鋼桁梁為實施對象，分析虛擬預拼裝的基本原理，設計虛擬預拼裝流程，研究理論模型創建、實測點選擇、測量精度和溫度影響等關鍵要素，搭建包括精度管理和拼裝管理兩大模塊的虛擬預拼裝系統。

以上研究多從信息技術在橋梁工程領域的單一場景應用出發，對設計與建造過程中的某一方面進行應用探索，而針對復雜橋梁智能設計與智能建造的系統性方案架構分析或案例研究未見介紹。從研究廣度看，BIM等前沿信息技術已應用于橋梁工程全生命周期的各個階段，形成了以智能設計與智能建造為代表的信息化技術應用體系；從研究深度看，在單一階段的應用已取得一些成功案例，但鮮有串聯起智能設計與智能建造并開展系統性分析的案例。信息技術在橋梁工程中的應用已進入“深水區”，各工程參與方均在探索智能設計與智能建造的系統性解決方案，以發揮智能化、信息化技術在橋梁工程領域的真正價值。

以杭州灣跨海大橋為工程背景，探索復雜環境條件下的大跨度鐵路橋梁智能設計與智能建造體系方案，以期達到提高設計質量與效率、提升工程建設管理水平的目標。

1 項目概況

通蘇嘉甬鐵路位于長三角城市群中心的江蘇省東南部和浙江省東北部地區，是國家高速鐵路網“八縱八橫”主骨架——沿海鐵路客運通道的組成部分，是長三角城市群鐵路網的重要組成部分以及長三角城市群“一核五圈四帶”城鎮體系的重要紐帶，設計速度350 km/h。

通蘇嘉甬鐵路跨越杭州灣，跨海大橋總長29.2 km，設置北航道、中航道、南航道共3座通航孔橋，跨度布置包括：北航道橋采用主跨450 m鋼桁加勁混凝土梁斜拉橋，橋長932.7 m；中航道橋采用主跨448 m鋼桁結合梁斜拉橋，橋長1 430.8 m；南航道橋采用主跨364 m鋼桁結合梁斜拉橋，橋長814.5 m；海中引橋采用80 m跨預應力混凝土連續梁。

將杭州灣跨海大橋與國內外同類工程的建設規模進行對比（見表1）。由表1可知，杭州灣跨海大橋是當今世界綜合建設難度最大的跨海橋梁集群工程之一。

表1 跨海橋梁建設規模對比

鑒于杭州灣跨海大橋工程地質環境復雜、施工條件差、強潮涌地區施工效率低、工期保障性差等特點，擬采用數字化、信息化、智能化手段提升建設水平，助力工程順利推進，為建設管理創新提供支撐。

數字化是智能化的前提條件，為了實現上述智能建造目標，需要首先應用BIM技術完成智能設計。BIM作為一種三維參數化、協同化工具，除了向智能建造階段提供信息模型載體外，還能夠提高設計質量和效率。分別從智能設計與智能建造2個角度，結合項目特點，對杭州灣跨海大橋的信息化建設方案進行研究。

2 智能設計

2.1 技術標準編制

杭州灣跨海大橋具有結構形式復雜、施工工法特殊、各利益相關方信息化要求嚴格等特點，現行標準已無法有效約束并規范當前項目。因此，有必要針對性地開展復雜跨海鐵路橋梁全生命周期信息化技術標準編制工作，在保證當前項目順利開展的同時，前瞻性地為后續類似項目提供支撐。

2.2 方案比選

在方案設計階段，綜合運用BIM參數化設計功能、GIS輕量化展示、遠程交付功能，開展方案比選，以實現以下目標：

（1）根據設計意圖快速建模，輔助橋梁總體方案設計成果展示；借助BIM參數化設計功能，實現直觀、快速的方案研究。

（2）對于橋梁局部復雜構件、局部控制性部位，快速創建參數化BIM模型；使用遠程輕量化交付系統，提高控制性邊界條件的方案研究效率。

（3）由于橋梁為跨海大橋，基礎施工方式、梁體吊裝方式等施工過程因素會影響橋梁方案［7］，針對重點施工工序應用BIM+GIS技術，開展滿足方案精度要求的三維施工組織推演，提高施工方案設計效率。

2.3 接口設計

通過對橋梁主體結構及其電纜槽、聲屏障、接觸網、綜合接地等站后設施開展BIM參數化接口設計，可發現并解決潛在的結構碰撞、鋼筋碰撞等問題（見圖1）。與常規鐵路橋梁相比，大型跨海鐵路橋梁與四電設施的接口增加了設備集成平臺；而受限于復雜海洋環境下的惡劣檢修條件，四電設施對橋梁結構的空間需求更加嚴格。因此，在方案設計階段，設計人員應用BIM技術，實現對四電設施及橋梁主體結構的綜合設計，避免由于專業間接口問題造成設計變更。

圖1 橋梁與站后設施BIM參數化設計

2.4 三維設計及出圖算量

在施工圖階段，應用BIM技術開展橋梁鋼結構建模、出圖、算量，借助其參數化、系統化優勢，提高橋梁設計效率和精度。由于鐵路橋梁鋼結構構造復雜，傳統的工程數量計算方法過程煩瑣、精度不足?；诟呔菳IM模型，可在任意斷面位置直接提取二維圖紙并自動統計工程數量（見圖2）。采用BIM手段開展鋼結構橋梁正向設計，作為設計成果的圖紙和工程量與BIM模型直接關聯，當模型修改時，圖紙與工程數量可自動更新。

圖2 基于BIM的鐵路橋梁鋼結構精細化設計

2.5 復雜鋼筋設計及空間校核

以設計圖紙為輸入信息創建BIM模型，精確還原設計成果，重點針對索塔錨固區、索梁錨固區、鋼混結合部等空間復雜部位開展圖紙校核，及時反饋圖紙中的差錯漏碰，達到優化施工圖的目的。

3 智能建造

3.1 項目建設管理平臺

基于BIM+GIS技術開發項目建設管理平臺（見圖3），實現三維可視化的項目進度管理、安全管理、質量管理、計價管理、資料管理等功能。該平臺與門禁設備、人臉識別系統、環境監測系統關聯，可實現勞務管理及環境監測等功能。

圖3 項目建設管理平臺架構

項目建設管理平臺是杭州灣跨海大橋智能建造的總入口，該平臺通過其數字工地模塊，鏈接鋼結構智能建造管理平臺、智慧梁場管理平臺、預制裝配式構件管理平臺、施工裝備運行監測平臺、施工工藝監控監測平臺，統一入口，實現數據共享。

3.2 鋼結構智能建造

3.2.1 體系架構

鋼結構智能建造體系架構見圖4。鋼結構智能建造管理平臺是該系統的總入口，為BIM設計成果管理、工藝余量添加等具體業務提供了統一的數據管理和用戶交互接口。

圖4 鋼結構智能建造體系架構

3.2.2 設計加工一體化

建立鋼結構設計加工一體化BIM建模標準，開展面向加工需求的參數化BIM設計，實現施工圖和加工圖之間的順暢過渡?？紤]焊接收縮、加工余量等需求，基于BIM設計平臺開發鋼構件工藝余量添加系統，實現對板材的最優化利用，支持多零件、多母材混合套料，并采用唯一代碼標識每個零件。開發焊縫信息全生命周期三維可視化管理系統，實現包括焊縫及鋼構件三維集成可視化展示、焊縫信息全生命可視化集成、基于BIM自動生成焊縫地圖、建立焊縫坡口數據庫等功能。

對可視化數控編程與數字化管理系統軟件進行BIM成果讀取轉化功能開發，通過自動排版及NC編制，全面承繼設計意圖，實現融合三維BIM模型與二維圖紙的設計加工一體化。

3.2.3 智能化加工與裝配

在基于逆向工程的鋼構件外觀檢測與虛擬預拼裝方面，采用激光掃描、攝影測量等逆向工程手段進行預制鋼構件外觀自動化檢測，有效避免制造誤差超出規范限值?；凇癇IM+逆向工程”虛擬預拼裝技術，通過拍照方式獲取鋼結構構件三維真實尺寸數據，與作為設計成果的理論BIM模型進行對比分析。鋼構件虛擬拼裝系統可自動分析螺栓孔位、拼接板件偏差，降低現場實體預拼裝成本。

3.3 智慧梁場

由于杭州灣跨海大橋海中引橋區段包括多聯（60+n×80+60）m先簡支后連續施工連續梁，灘涂區引橋由多孔48、32 m跨徑簡支梁組成，因此，該項目在建造階段面臨大量的32、48、60、80 m簡支梁預制工作，有必要開發、應用智慧梁場系統，以提高現場安全、質量管理水平。

智慧梁場系統由以下7部分組成：

（1）BIM協同管理平臺。智慧梁場系統以BIM協同管理平臺為核心，融合生產工藝流程，通過物聯網、BIM、無線通信等技術將梁場的智能化設備（張拉、壓漿、噴淋設備）、管理流程（制梁、存梁、架梁的進度、計劃）與BIM模型結合［8］，可實現平臺化、精細化管理。

（2）物料系統。由一系列硬件、軟件設施組成，包括閘機、地磅設備，以及進料、倉儲、出料管理功能等軟件，可實現系統化的廠區物料管理。

（3）智能工藝設備。針對梁體施工過程中的重要工藝，研發智能化加工設備，包括鋼筋自動化加工系統、鋼筋骨架智造系統、自動液壓模板、智能穿束機，以及智能化張拉、壓漿、噴淋等設備。

（4）智能運架機械。包括運梁車、提梁機、龍門吊等大型機械設備，可實現以下智能化管理功能：設備空間定位；工時統計；能源消耗；維保與使用記錄的自動統計、查詢；與其他重要傳感監測及視頻監控數據集成；具備上述監測、管理內容的日、周、月統計查詢功能的進場設備電子化臺賬。

（5）無人值守混凝土智能拌合。集成混凝土ERP系統、攪拌站生產系統、物料管理系統、車輛管理等系統，實現混凝土生產集中控制、拌合樓無人值守。

（6）廠區監控、能源消耗監控。在廠區重要位置安裝監控設備，監控設備采用AI功能相機，可自動監測現場安全帽佩戴情況，根據人臉識別生成不佩戴安全帽的信息。能源消耗監控以BIM協同管理平臺作為終端，實現對廠區用電、用水設備的集成式統一管理。

（7）無紙化辦公與勞務管理。與現場采用IP攝像機、配合人臉智能識別技術的自助閘機設備關聯，實現勞務智能化管理功能。自動統計勞務數據，生成通道出入明細表、異常記錄明細表、匯總記錄表，賦予梁場管理人員圖片記錄查詢、監管視頻查看的權限，為作業人員考勤、工人工資發放提供相應依據。通過BIM協同管理平臺的資料、信息管理功能，結合物料、臺賬管理模塊，實現梁場無紙化辦公。

3.4 預制裝配式構件智能建造

3.4.1 預制構件進度模擬、物流追蹤與量化管理

受現場條件所限，該項目需要大量采用預制裝配式結構；同時，由于大體量橋梁預制構件的海洋運輸成本高昂，綜合采用物聯網RFID智能識別設備、5G通信技術、北斗衛星定位技術，開展預制裝配式結構全過程物流追蹤，以及精細化施工進度模擬與物流調配，可實現優化施工過程、降低項目成本的目標。

3.4.2 預制構件外觀自動檢測

《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》等標準均對混凝土結構外形尺寸偏差及其檢測方法提出了要求，尤其是預制裝配式混凝土結構，外形尺寸偏差引起的誤差積累可能導致嚴重的工程失誤。但是，標準中提出的手工和人眼檢測方法離散性大、精度不易保證，有必要采用信息化手段提高預制構件外觀檢測的效率和精度［9］。

對于高度大于24 m的橋墩，按照預制裝配式構件進行設計；采用攝影測量手段，結合理論BIM模型，對裝配式橋墩節段進行外觀自動化檢測，可大幅提高橋墩節段外觀質量。

3.4.3 短線預制裝配式梁體虛擬預拼裝

北航道橋作為主跨450 m的鋼桁加勁混凝土梁斜拉橋，其混凝土主梁部分擬采用短線預制拼裝工藝，而傳統的短線匹配法屬于勞動和時間密集型的抽樣工藝。預制過程中，通過全站儀測量6個定位點的空間坐標，確定構件空間位置，這種通過局部測量還原物體真實空間位置的簡化模式帶來一些局部區域不匹配問題。另外，在工業化生產中，使用全站儀還存在標定點布設麻煩、測量精度和測程相關性較大等缺陷。

為了提高短線預制的效率和精度，擬采用攝影測量手段現場采集照片，并進行高效的數據處理，提取關鍵尺寸參數，通過ICP配準技術進行節段梁的匹配控制與預拼裝。

4 結束語

經過近20年的發展，鐵路橋梁建設基本形成以機械化、自動化、信息化、數字化為主要特征的建設格局。隨著信息技術、數據技術、傳感技術的快速發展，鐵路橋梁工程未來的發展趨勢是朝著工業化、信息化、智能化、綠色環保為特征的現代交通基礎設施方向發展。隨著BIM技術、物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術與鐵路橋梁工程設計、施工、管養全過程的深度融合，設計手段、裝備水平、施工工藝、管養方式都在發生改變，現代鐵路橋梁工程呈現出智能設計、智能建造、智慧管養的全生命周期智能化新特征。

然而，我國的橋梁智能建造技術剛剛起步，技術體系尚不完整，不少工序仍然依賴人工，機械化、自動化程度不高，支撐性技術如核心算法、智能感知、數據采集等還有待攻關。下一步，還需重點布局一批類似于杭州灣跨海大橋的示范性大型橋梁項目，培育一批既懂工程技術、又具有數字化智能化思維的復合型人才，推進橋梁智能建造再上新臺階。